Fuori dalla bolla!

La presenza di un equipaggio umano che, per la prima volta dopo mezzo secolo, ha abbandonato (solo per qualche giorno) la protezione del campo magnetico terrestre, riaccende l'attenzione sui rischi di una permanenza di lungo periodo nello spazio profondo richiesta da missioni quali un presidio continuativo di una struttura sul suolo lunare oppure un viaggio di molti mesi verso il pianeta Marte. Per gran parte della storia dell’esplorazione spaziale la difficoltà principale del viaggio umano oltre l’orbita terrestre è stata interpretata come un problema ingegneristico quale costruire razzi più potenti, sistemi di supporto vitale più affidabili ed habitat più resistenti.

Negli ultimi quindici anni la convergenza tra dati sperimentali, missioni robotiche e studi di biologia spaziale ha progressivamente fatto emergere che la vera frontiera del volo umano verso altri pianeti riguarda non tanto la propulsione quanto la biologia.

Un viaggio verso Marte espone l’organismo umano ad un ambiente radicalmente diverso da qualsiasi contesto evolutivo terrestre: microgravità prolungata, isolamento psicologico e soprattutto radiazione cosmica galattica.

Quest’ultima non rappresenta semplicemente un aumento quantitativo dell’irradiazione naturale ma un cambiamento qualitativo del tipo di danno biologico prodotto: suo bersaglio ultimo è infatti il DNA.

Ecco che comprendere quanto DNA venga danneggiato, come venga riparato e quali siano le conseguenze cumulative di tali processi significa ridefinire l’intera architettura concettuale delle missioni umane nello spazio profondo. Fuori dalla magnetosfera terrestre l’astronauta è immerso in un flusso continuo di particelle energetiche provenienti dal Sole e dalla Galassia le cui principali componenti sono protoni solari e nuclei pesanti altamente energetici detti HZE (High-Z and Energy ions), che viaggiano a velocità relativistiche. (1)

Le misure più realistiche della radiazione durante un trasferimento verso Marte provengono dalla missione Mars Science Laboratory (Curiosity Rover), il cui strumento RAD ha registrato una dose media di circa 1,8 millisievert al giorno nello spazio interplanetario.

Il viaggio di sola andata - durata stimata circa sei mesi - equivale ad un'esposizione pari a circa 0,3 sievert, mentre una missione completa di andata e ritorno che includa permanenza sul suolo marziano può raggiungere gli 0,6 / 1 sievert complessivi: un valore enormemente superiore all’esposizione naturale terrestre. (2) La dose totale assorbita dall'organismo racconta però soltanto una parte della storia: la differenza cruciale risiede infatti nella struttura microscopica dell’energia depositata.

Quando una particella HZE attraversa il corpo umano non distribuisce energia uniformemente, ma produce una traccia estremamente densa di ionizzazioni lungo un percorso nanometrico, generando così cluster di danno molecolare.

Per ogni Gray (3) di radiazione ionizzante la radiobiologia sperimentale osserva mediamente circa 1000 rotture a singolo filamento del DNA, circa 40 rotture a doppio filamento e migliaia di modificazioni chimiche delle basi.

Applicando questi valori ad una dose equivalente di circa 0,3 Sv (corrispondente ad una dose assorbita dell’ordine di 0,1–0,2 Gy, a seconda della composizione dello spettro di particelle), per il solo viaggio di andata verso Marte ogni cellula del corpo subirebbe mediamente 5–15 rotture a doppio filamento per cellula.

Considerando che il corpo umano contiene all'incirca 3,7 × 10¹³ cellule, il numero totale di rotture doppio filamento durante il viaggio supera i 10¹⁴ eventi.

Questo numero, apparentemente incompatibile con la sopravvivenza, introduce un concetto fondamentale: la vita non evita il danno genetico ma sopravvive grazie alla riparazione continua. Nel contesto terrestre si tende a pensare al DNA come a una struttura stabile quando in realtà è un sistema dinamico, soggetto a danni costanti anche in condizioni normali.

Nello spazio profondo questo equilibrio viene spinto verso un regime estremo: proteine sensori come ATM, ATR e p53 individuano le lesioni in pochi secondi ed attivano complessi di riparazione.

Sono all'opera due meccanismi principali, il Non-Homologous End Joining - rapido ma impreciso - e l'Homologous Recombination - accurato, ma limitato a cellule in divisione -: al fine della tesi sostenuta in questo post è rilevante evidenziare come nei neuroni maturi prevalga il primo, aumentando così la probabilità di errori permanenti.

La sopravvivenza biologica dipende quindi da una diseguaglianza fondamentale: la velocità di riparazione deve restare superiore alla velocità di accumulo del danno.

Se il rischio oncologico era storicamente la principale preoccupazione (4), studi recenti indicano che il vero limite operativo potrebbe essere cognitivo, e cioè un danno neurologico progressivo causato dai raggi cosmici galattici che può provocare la perdita di performance cognitiva.

Un astronauta che stia portando a termine una missione su Marte non deve soltanto poter sopravvivere, ma deve esser in grado di prendere decisioni complesse in autonomia a centinaia di milioni di km dalla Terra.

Vediamone ora il motivo.

I raggi cosmici galattici includono nuclei pesanti - quali ferro (Fe), silicio (Si) e ossigeno (O) - che viaggiano quasi alla velocità della luce; quando uno di questi attraversa il cervello vi deposita energia lungo una traccia microscopica ionizzando migliaia di molecole ed alterando simultaneamente molti neuroni.

Capita così che una singola particella può potenzialmente influenzare un microcircuito neuronale locale.

Il cervello umano contiene circa 86 miliardi di neuroni, cellule che raramente si dividono e devono funzionare per tutta la vita dell’individuo; durante il viaggio di sola andata verso Marte ciascun neurone accumulerebbe in media una dozzina di rotture doppio filamento.

Esperimenti condotti presso il NASA Space Radiation Laboratory (5) mostrano che esposizioni equivalenti producono riduzione della plasticità sinaptica, perdita di spine dendritiche e neuroinfiammazione cronica.

Sebbene il cervello rimanga intatto strutturalmente, perde efficienza computazionale (una situazione assimilabile ad un computer con circuiti leggermente disallineati): funziona, ma con una riduzione misurabile dell’efficienza decisionale.

Diversamente dal DNA cellulare, i neuroni si rinnovano poco e le connessioni perse non sempre si ricostruiscono: per tale ragione il danno neurologico risulta progressivo e poco reversibile.

Modelli quantitativi suggeriscono che anche una compromissione funzionale di una piccola frazione dei neuroni potrebbe coinvolgere miliardi di cellule cerebrali, con effetti misurabili su memoria e decision-making: in una missione con ritardi comunicativi di venti minuti con la Terra anche piccoli deficit cognitivi diventerebbero criticità operative. (6)

Una stima statistica del numero di impatti che si verificherebbero nel cervello durante la sola tratta Terra-Marte (6 mesi di viaggio) ricavata da simulazioni condotte dall'ESA e dalla NASA resituisce che ogni centimetro quadrato del contenuto della nostra scatola cranica venga attraversato da centinaia di particelle ad alta energia; poiché il cervello umano ha superficie equivalente interna pari a migliaia di cm² saranno milioni (probabilmente decine di milioni) le tracce ionizzanti che attraverserebbero il tessuto neuronale durante tale missione: non uniformemente ma inevitabilmente.

Il cervello risulta più vulnerabile del resto del corpo per tre motivi fondamentali: è dotato di alta complessità di rete (piccole perturbazioni determinano grandi effetti funzionali), elevato metabolismo (più radicali liberi prodotti) e scarsa rigenerazione neuronale (riparazione limitata).

Oltre il cervello anche il sistema cardiovascolare e le cellule staminali risultano particolarmente vulnerabili ai raggi cosmici.

L’invecchiamento biologico - altro effetto indesiderato dovuto alla loro esposizione - viene misurato tramite marcatori epigenetici.

Il confronto tra gli astronauti gemelli Scott e Mark Kelly ci ha informato che anche le missioni in orbita bassa possono indurre a cambiamenti epigenetici significativi.

Applicando modelli radiobiologici, la dose che assorbirebbe un astronauto durante una missione completa sul pianeta rosso potrebbe equivalere, secondo alcuni modelli, a diversi anni di aging biologico (ordine di 3–10 anni), con forte variabilità tra tessuti: l’astronauta potrebbe tornare cronologicamente più giovane della propria età biologica locale in specifici organi).

Durante una singola giornata nello spazio profondo trilioni di eventi di danno e riparazione avvengono simultaneamente nell’organismo.

Ogni notte, durante il sonno, i sistemi di riparazione raggiungono la massima attività: il sonno sembra favorire l’attività dei sistemi di riparazione del DNA e potrebbe quindi contribuire indirettamente alla resilienza biologica e per questa ragione habitat, illuminazione e ritmi circadiani artificiali vengono progettati per ottimizzare i processi cellulari e non solo il comfort psicologico. (7)

La missione marziana si configura quindi come un processo continuo di manutenzione genomica.

I risultati di studi condotti sia dalla NASA che dall'ESA stanno trasformando la filosofia progettuale delle missioni umane nello spazio profondo: compreso come nessuna schermatura passiva sia da sola sufficiente ad eliminare il rischio della radiazione (le particelle HZE attraversano praticamente qualsiasi materiale) le agenzie spaziali hanno adottato una nuova strategia che integra tre livelli: architettura del veicolo, medicina rigenerativa ed adattamento biologico. (8)

Habitat ricchi di acqua e materiali idrogenati, monitoraggio genomico continuo e contromisure farmacologiche diventano elementi strutturali della missione.

Nell'ambito dell’ESA, programmi legati a materiali avanzati e strutture bio-ispirate riflettono questa integrazione crescente tra ingegneria e biologia: la storica domanda “l’astronauta sopravvive alla radiazione?” si è oggi trasformata in “l’astronauta mantiene integrità cognitiva e biologica sufficiente ad operare autonomamente?”

L’essere umano si è evoluto sotto la protezione combinata di atmosfera e campo magnetico terrestre, dunque la possibilità di missioni interplanetarie sostenibili dipenderà probabilmente non solo dalla tecnologia esterna, ma anche dalla capacità di modulare biologicamente l’organismo umano prevenendo la senescenza cellulare, migliorando la riparazione del DNA e monitorando continuamente lo stato genomico degli astronauti.

In questo senso, l’esplorazione spaziale diventa anche un laboratorio per comprendere l’invecchiamento umano sulla Terra.

Concludiamo questa rassegna esaminando lo stato attuale degli studi sulla riparazione del DNA:

Il potenziamento farmacologico della riparazione.

La linea di ricerca più avanzata e promettente riguarda l’uso di farmaci per aumentare la capacità intrinseca delle cellule di riparare il DNA.

Tra i target principali ricordiamo l'attivazione delle vie PARP (Poly ADP-ribose polymerase), la modulazione delle proteine ATM e ATR e l'incremento dei livelli cellulari di NAD: questi interventi migliorano la velocità di riconoscimento delle rotture, l’efficienza della riparazione e la sopravvivenza cellulare dopo esposizione a radiazione.

In parallelo l’uso di antiossidanti mitocondriali specifici (come MitoQ) consente di ridurre la produzione di radicali liberi generati dalle tracce ionizzanti.

Il grado di maturità di queste tecnologie è elevato: molte sono già studiate in contesti clinici terrestri (aging, neurodegenerazione), rendendole immediatamente trasferibili all’ambiente spaziale.

Neuroprotezione e mantenimento cognitivo

Uno degli sviluppi più significativi riguarda la protezione del cervello.

Esperimenti condotti presso il NASA Space Radiation Laboratory hanno dimostrato che esposizioni a radiazione simili a quelle di una missione marziana causano perdita di plasticità sinaptica, neuroinfiammazione cronica e deficit cognitivi.

Tuttavia, trattamenti farmacologici mirati (ad esempio modulando la microglia o attivando recettori PPAR) sono riusciti a preservare quasi completamente le funzioni cognitive negli animali irradiati.

Questo risultato è cruciale: suggerisce che il principale limite operativo delle missioni marziane, ossia il deterioramento cognitivo, può essere mitigato in modo concreto.

Monitoraggio genomico continuo

Un’altra tecnologia ormai operativa è il sequenziamento del DNA in orbita: strumenti miniaturizzati permettono di monitorare mutazioni in tempo reale, adattare terapie farmacologiche e personalizzare il trattamento per ogni astronauta.

La missione diventa un sistema biologico monitorato e regolato continuamente.

Tecnologie emergenti

Accanto alle soluzioni più mature esistono linee di ricerca avanzate ma non ancora pronte per applicazioni operative:

ingegneria genetica radiotollerante, ispirata a organismi estremofili (es. proteina Dsup dei tardigradi);
riprogrammazione epigenetica, per “ringiovanire” le cellule danneggiate;
terapie con cellule staminali, per sostituire i tessuti compromessi.

Queste tecnologie hanno un potenziale enorme, ma presentano ancora problemi di sicurezza, complessità ed accettabilità etica.

Possiamo allora azzardare una previsione su quali (tra quelle sinora esaminate) saranno le tecnologie che renderanno possibile la prima missione umana su Marte.

Analizzando le roadmap di NASA, European Space Agency e programmi correlati emerge una previsione chiara: la prima missione su Marte non sarà abilitata da una singola innovazione quanto piuttosto da una combinazione di tecnologie già in fase avanzata.

La farmacologia della riparazione cellulare rappresenta la soluzione più probabile ed immediata.

Un “pacchetto” farmacologico includerà sicuramente stimolatori della riparazione del DNA, supporto metabolico (NAD⁺) ed anti-infiammatori mirati al sistema nervoso.

Il vantaggio principale è la sua praticabilità: non richiede modifiche genetiche permanenti, è reversibile ed è testabile già oggi in ambienti controllati.

Parallelamente, il veicolo spaziale stesso diventa parte della strategia di riparazione.

Le nuove architetture prevedono infatti zone di sonno altamente schermate, uso strategico di acqua e materiali idrogenati e controllo preciso dei ritmi circadiani (l’habitat diventa così un ambiente terapeutico continuo).

L’integrazione tra monitoraggio genomico e farmacologia porta ad un nuovo modello: la medicina personalizzata dinamica

Ogni astronauta riceve trattamenti adattati in funzione del proprio profilo genetico, del danno accumulato e della risposta individuale alla radiazione (medicina adattiva in tempo reale).

Nonostante il loro potenziale, alcune soluzioni difficilmente saranno utilizzate nella prima missione: tra queste l'editing genetico per aumentare la resistenza alla radiazione, la riprogrammazione epigenetica su larga scala e la produzione ed utilizzo estensivo di cellule staminali nello spazio.

Queste tecnologie richiedono infatti ancora decenni di sviluppo e validazione.

Note:

(1) Gli astronauti sono esposti a raggi cosmici galattici (GCR), eventi solari energetici e nuclei pesanti ad alta energia (HZE). 

Queste particelle rompono direttamente il DNA, producono radicali liberi e generano danni “clusterizzati” molto difficili da riparare.

Esser esposti alla loro azione comporta il rischio di sviluppare cancro, degenerazione neurologica e problemi cardiovascolari e immunitari.

L'ESA considera esplicitamente la radiazione uno dei principali show-stopper per missioni marziane di lunga durata (vedi in proposito l'articolo "Mitigazione del rischio di radiazioni nell'esplorazione spaziale umana: un'introduzione, una visione e lo stato dell'arte" pubblicato su Springer Nature il 30 gennaio 2026).

(2) Esposizione Naturale Terrestre: la dose media annuale naturale per persona è molto bassa, pari a circa 2,4 mSv (millisievert) all'anno con variazioni locali tra 1,5 e oltre 10 mSv.

(3) Il Gray (Gy) è l'unità di misura del Sistema Internazionale utilizzata per quantificare la dose assorbita di radiazioni ionizzanti.

Un gray corrisponde al deposito di 1 Joule di energia in 1 chilogrammo di materia, che sia un tessuto biologico oppure un oggetto inanimato.

il Gray misura esclusivamente quanta energia "colpisce" la materia, senza considerare l'effetto biologico specifico o il tipo di radiazione (alfa, beta, gamma).

È l'unità standard in radioterapia per definire la dose precisa di radiazioni da somministrare ai tumori, e viene anche usato per valutare i "danni deterministici" immediati (come ustioni o avvelenamento acuto).

Sia il Gray che il Sievert si misurano in Joule/kg, ma mentre il primo indica la quantità di energia assorbita, il secondo indica il danno biologico stimato e si ottiene moltiplicando i Gray per un fattore di peso che dipende dal tipo di radiazione.

(4) Per molto tempo il modello di rischio era semplice: radiazione → mutazioni → tumori.

Da quando invece si è iniziato a pianificare missioni di lunga durata è subito divenuto evidente il fatto che mentre i tumori impiegano anni (o addirittura decenni) a svilupparsi, il rischio operativo immediato relativo ad una missione su Marte (durata media, circa tre anni) è invece costituito dalla perdita di performance cognitiva che può avvenire in tempi brevi in seguito all'esposizione alla radiazione galattica.

(5) Presso il Brookhaven & NASA Space Radiation Laboratory sono stati condotti esperimenti dove varie specie di animali venivano esposti a ioni di ferro con dosi equivalenti a quelle che avrebbero potuto ricevere nel corso di una missione marziana.

In seguito all'esposizione sono stati osservati una riduzione della memoria spaziale insieme a difficoltà decisionali, un aumento dell'ansia e dell'impulsività contestualmente ad una compromissione della flessibilità cognitiva.

Tali effetti sono stati riscontrati anche utilizzando dosi molto basse (0.1 – 0.2 Sv), molto inferiori alle soglie tumorali classiche.

(6) Durante una missione marziana il ritardo nelle comunicazioni Terra-Marte (e viceversa) varia dai 4 ai 22 minuti, dunque è impossibile un controllo in tempo reale da remoto (da un centro di controllo sul nostro pianeta): gli astronauti devono essere autonomi.

Pertanto, anche una riduzione cognitiva del 10–20% può compromettere seriamente la navigazione, la manutenzione e la gestione emergenze.

(7) Nella progettazione di astronavi, stazioni spaziali o basi permanenti sul suolo oggi si tiene conto dei seguenti accorgimenti:

zone di sonno ultra-schermate: il cervello è più vulnerabile durante il sonno profondo (processi di consolidamento sinaptico) pertanto vengono studiate capsule di riposo circondate da acqua, cibo, serbatoi;
orientamento degli astronauti: sono in fase di studio anche strategie di orientamento del corpo rispetto al flusso di radiazione che potrebbero ridurre la dose cerebrale;
monitoraggio cognitivo continuo con test neurologici quotidiani automatizzati: vengono rilevati tempi di reazione, memoria, decision making.
farmaci neuroprotettivi: ricerca su antiossidanti mirati, modulatori neuroinfiammatori e stimolazione neurogenica.

Il rischio "marziano" non è quello di morire nello spazio, piuttosto di diventare progressivamente meno cognitivamente affidabili mentre si è ancora vivi e operativi: un problema ingegneristico completamente nuovo.

Adottare strategie per ridurre anche solo del 25% il flusso di nuclei pesanti verso la testa significa evitare migliaia di tracce neuronali e di conseguenza ottenere una probabilità significativamente minore di deficit cognitivo.

La progettazione dei materiali strutturali diventa indirettamente una forma di protezione neurologica: non si protegge solo il corpo ma la capacità decisionale della missione.

L’esplorazione umana profonda introduce un nuovo vincolo fisico: la traiettoria verso Marte deve essere compatibile non solo con la meccanica orbitale, ma anche con la stabilità delle reti neurali umane.

(8) Le attuali linee di ricerca finanziate dall’ESA si articolano in 5 gruppi:

esperimenti biologici svolti direttamente nello spazio (ISS e piattaforma EXPOSE). La serie EXPOSE recentemente ha prodotto un risultato importante, dimostrando come alcuni microorganismi sono in grado di sopravvivere alla radiazione cosmica reale riparando il DNA dopo l’esposizione e riprendendo così la divisione cellulare: un cianobatterio è riuscito a ricostruire il proprio genoma anche dopo bombardamento da ioni pesanti. Quindi la natura dispone già di strategie molecolari di riparazione estrema, che potrebbero esser imitate o trasferite.
Lo studio diretto del danno al DNA umano: già da tempo l’ESA conduce programmi dedicati al monitoraggio biologico degli astronauti - misura del danno genetico, effetti sulla “epigenetic clock” (invecchiamento cellulare) e variazioni nella capacità di riparazione del DNA - che si pongono quale obiettivo la comprensione del motivo per il quale alcuni individui resistono meglio di altre alla radiazione.
Tessuti e organi coltivati per simulazioni marziane: l'ESA sviluppa modelli biologici avanzati che utilizzano cellule degli astronauti (coltivate in laboratorio) in seguito esposte a fasci di particelle accelerati (simulazione GCR) per studiarne la risposta molecolare individuale. Questi test permettono di osservare direttamente i meccanismi di riparazione cellulare.
Acceleratori di particelle terrestri (simulazione radiazione spaziale): l'ESA usa strutture come il GSI in Germania per riprodurre radiazione cosmica reale, studiare danni sub-cellulari e testare contromisure biologiche.
Modelli computazionali del DNA irradiato: il progetto Geant4-DNA, nato anche con supporto ESA, simula interazioni particella-DNA, rotture del doppio filamento e danni cromatinici a scala nanometrica, e serve per prevedere i rischi biologici prima delle missioni.

Dal 2023 la ricerca ESA ha imboccato una nuova direzione: la biologia sintetica e la bio-protezione.

L'intento è quello di rendere la biologia più resistente attraverso strategie emergenti quali:

l'utilizzo di microbi protettivi, biofilm e cianobatteri come scudi biologici e materiali viventi autoriparanti; esperimenti recenti mostrano microrganismi estremofili funzionare in condizioni marziane simulate;
Il trasferimento di meccanismi di riparazione: studio di organismi ultra-resistenti (ad esempio i tardigradi), proteine che stabilizzano il DNA e sistemi antiossidanti avanzati. La ricerca su specie resistenti alla radiazione potrebbe portare a protezioni umane future.
Il Synthetic biology per missioni profonde: nuovi studi indicano la biologia sintetica come tecnologia chiave per la protezione radiativa, la rigenerazione cellulare ed i sistemi di supporto vitale biologici.

Strategie ESA attualmente considerate:

Schermatura passiva (acqua, polimeri): quasi pronta.

Rifugi anti-tempesta solare: progettazione avanzata

Farmaci radioprotettivi: ricerca iniziale

Miglioramento riparazione DNA: ricerca attiva

Bio-ingegneria cellulare: fase esplorativa

Scudi magnetici attivi: studi concettuali

Sebbene si disponga già di un livello di comprensione avanzato circa il danno DNA e di modelli simulativi maturi, nonostante vengano continuamente realizzati nuovi esperimenti biologici reali nello spazio, le contromisure biologiche umane sono ancora a livello sperimentale e nessuna soluzione definitiva è già stata individuata per missioni di 2–3 anni.

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venerdì 10 aprile 2026

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È probabile che il cervello - più ancora del rischio oncologico - rappresenti il vero limite biologico operativo per una missione umana verso Marte.

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